1. WSTĘP
Aby ruch obrotowych elementów maszyn był możliwy konieczne jest utrzymanie stałego położenia osi obrotu. Stałość położenia osi rozumie się jako stałość względem ruchomej podstawy, czasem względem innych ruchomych elementów.
Utrzymanie stałego położenia osi obrotu zapewniają łożyska. Elementy wirujące osadzone są na wałach lub osiach, a te z kolei osadzone są w łożyskach.
Łożyska wywierają na wał reakcje przeciwstawiające się siłom pochodzącym od ciężaru elementów osadzonych na wale, siłom pochodzącym od innych elementów współpracujących z elementami osadzonymi na wale oraz wynikającymi z niewyważenia. Siły obciążające dane łożysko nazywamy obciążeniem łożyska. Obciążenie może mieć składowe w kierunku osi wału i w kierunku poprzecznym.
Łożyska przystosowane do przenoszenia przede wszystkim obciążeń poprzecznych nazywamy łożyskami poprzecznymi. Łożyska przystosowane przede wszystkim do przenoszenia obciążeń osiowych nazywamy wzdłużnymi lub osiowymi.
Funkcje przenoszenia obciążeń poprzecznych i wzdłużnych mogą być rozdzielone na kilka łożysk, z których jedne przenoszą obciążenie wzdłużne i poprzeczne. Mogą być też stosowane łożyska przystosowane jednocześnie do przenoszenia obciążeń wzdłużnych i poprzecznych.
Jeżeli głównym obciążeniem układu jest obciążenie poprzeczne, to i tak należy przewidzieć uniemożliwienie ruchu w kierunku wzdłużnym w celu przeniesienia przypadkowych obciążeń. Podobnie przy głównym obciążeniu wzdłużnym nie można obyć się bez łożysk poprzecznych koniecznych dla zapewnienia stałości osi obrotu.
Ruch względny czopa i łożyska może być realizowany tak, że powierzchnia czopa ślizga się po obejmującej ją powierzchni. Element obejmujący czop nazywa się w tym przypadku poszewką. Łożyska tego typu nazywa się łożyskami ślizgowymi.
2. BUDOWA ŁOŻYSKA ŚLIZGOWEGO
Zasadniczymi elementami łożyska ślizgowego są (rys. 1):
- Czop l;
- Luz łożyskowy 2; (smar)
- Panew3;
- Gniazdo4;
Rys. 1. Schemat budowy i działania łożyska.
Podczas pracy łożysk pomiędzy czopem 1 i panwią 3 zachodzi tarcie. W łożyskach współczesnych silników okrętowych, w normalnych warunkach pracy, istnieje tarcie płynne. Oznacza to, że pomiędzy czopem a panwią nie ma styku metalicznego. Warstewka nośna smaru, wypełniająca przestrzeń 2 zdolna jest przenieść obciążenie działające na łożysko, zachowując odpowiednią grubość wystarczającą, aby nie dopuścić do styku metalicznego czopa i panwi. Tarcie płynne charakteryzuje się bardzo małym współczynnikiem tarcia (średnio 20 ¸ 50 razy mniejszym niż podczas tarcia mieszanego), małymi stratami energii mechanicznej oraz niewielkim zużyciem powierzchni elementów pary ciernej. Średnie ciśnienie smaru w warstwie nośnej łożysk układu korbowego silnika okrętowego jest znaczne i wynosić może 10 ¸ 30 MPa. Maksymalne ciśnienia są jeszcze większe i ich wartość sięga 100 ¸ 120 MPa. Tak wysokie ciśnienia w warstwie nośnej smaru osiąga się w wyniku zjawisk hydrodynamicznych zachodzących w łożysku, a w szczególności w wyniku działania tzw. klina smarowego, bądź też jako efekt wyciskania smaru. W łożyskach obciążonych dynamicznie ciśnienie w warstwie nośnej smaru powstaje w wyniku superpozycji (dodania) obu efektów.
Duża koncentracja mocy w cylindrze współczesnych silników okrętowych, czego następstwem są duże obciążenia łożysk układu tłokowo — korbowego sprawia, że tylko tarcie płynne w łożyskach zapewnia ich trwałą i niezawodną pracę.
Brak tarcia płynnego w łożysku, co wiąże się nieodłącznie ze znacznym wzrostem strat tarcia, prowadzi nieuchronnie do utraty równowagi termicznej w łożysku objawiającej się wzrostem jego temperatury i w konsekwencji do zniszczenia łożyska. Łożyska współczesnych silników okrętowych mogą pracować albo bardzo dobrze (tarcie płynne), albo wcale, gdyż zanik tarcia płynnego powoduje zmiany jakościowe w łożysku, w stopniu wykluczającym jego dalszą pracę.
8
2.1. KRYTERIA PEWNOŚCI RUCHOWEJ ŁOŻYSK
Na pewność ruchową łożysk, rozumianą jako zdolność do przenoszenia określonych obciążeń w zadanych warunkach, w określonym przedziale czasu mają takie czynniki jak:
· minimalna grubość filmu olejowego,
· maksymalne ciśnienie w filmie olejowym,
· temperatura powierzchni tarcia.
W każdej chwili cyklu roboczego w łożyskach dynamicznie obciążonych wymienione parametry ulegają zmianie. W łożysku stan zagrożenia występuje dopiero wówczas, gdy czas, w którym wymienione parametry osiągają wartości krytyczne, jest dostatecznie długi. Stąd kryteria pewności ruchowej podaje się niekiedy w postaci:
<ïaï (1)
twe®o<tkr (2)
pśr£pdop (3)
l>lkr (4)
hmin>hkr (5)
gdzie:
¶h/¶t – prędkość promieniowa czopa,
a – maksymalne wartości ¶h/¶t, dopuszczalne ze względu na kawitację,
twe®o – czas, w którym zastępcza prędkość kątowa dąży do zera,
l - parametr Herseya,
p – naciski jednostkowe w łożysku.
W celu uzyskania wymagań pewności ruchowej łożyska wymienione warunki muszą być spełnione już w fazie projektowania. Należy również uwzględnić takie czynniki jak:
· wzajemny stosunek sztywności wału i podparcia łożyska oraz wynikający stąd rozkład nacisków wzdłuż tworzącej łożyska, wywołany ugięciem czopa i panwi,
· zacisk wstępny panwi w łożysku (dotyczy głównie łożysk cienkościennych),
· dokładność wykonania (współosiowość, gładkość powierzchni),
· rodzaj materiału i sposób wylania panwi,
· rodzaj i własności oleju.
Kryterium określone wyrażeniem (1) stawia przed łożyskiem wymagania odporności na kawitację, gdy (a) osiąga wartości ujemne oraz dostatecznej wytrzymałości zmęczeniowej, gdy (a) osiąga wysokie wartości dodatnie. Wzrostowi (a) towarzyszy bowiem wzrost ciśnień maksymalnych w filmie olejowym, które, dla łożysk dynamicznie obciążonych, zmieniają miejsce występowania w obwodzie łożyska.
Kryterium określone wyrażeniem (2) stawia warunek, w myśl którego przerwa w dopływie smaru, jaka następuje przy we=0, kiedy nośność pochodzi jedynie od obrotu, ma być na tyle krótka, aby wzrost temperatury powierzchni tarcia, jaki towarzyszy pogorszeniu warunków smarowania, nie spowodował uszkodzeń powierzchni ślizgowej. Warunek ten można uogólnić na inne przypadki i przedstawić go w postaci:
thkr < tkr (6)
gdzie thkr jest czasem, w którym w łożysku występuje krytyczna grubość filmu smarowego, bez względu na przyczyny, które to zjawisko spowodowały.
Kryterium (3) określa wartość nacisków dopuszczalnych w łożysku dla określonej konstrukcji i technologii wykonania (sztywność, wymiary, materiały).
Kryterium tarcia płynnego stanowią wyrażenia (4) i (5). Pierwsze z nich oparte jest na parametrze Herseya (l). Zależność współczynnika tarcia od parametru Herseya przedstawia rys. 3. Łożysko, którego punkt pracy leży na prawej gałęzi krzywej m=f(l) jest w stanie równowagi termicznej. Jeżeli z jakiegokolwiek powodu nastąpi w nim zwiększenie tarcia, spowoduje wzrost jego temperatury, co będzie przyczyną spadku lepkości (h), a w związku z tym – spadku współczynnika tarcia. To z kolei wpłynie na zwiększenie natężenia przepływu smaru, obniżenie temperatury i powrót do pierwotnych warunków pracy (zjawisko samoregulacji termicznej). Kryterium minimalnej grubości filmu olejowego hmin podaje się również w postaci:
hmin ³ hkr (7)
Wyżej wymienione kryteria pewności ruchowej łożyska można zaliczyć do grup kryteriów absolutnych bądź eksploatacyjnych.
Wymogi kryterium absolutnego spełnione są wówczas, gdy łożysko nie ulega zniszczeniu w pierwszych godzinach ruchu. Stąd kryterium wyznacza głównie poprawność konstrukcji, częściowo technologii i doboru materiałów. Kryterium eksploatacyjne wynika z żądania, aby łożysko pracowało co najmniej przez tak długi czas, jaki upływa do naruszenia węzłowych układów silnika. Spełnienie warunków kryterium eksploatacyjnego określa zatem trwałość łożyska uwarunkowaną intensywnością procesów zużyciowych. Dotyczy to zarówno zużycia o charakterze zmęczeniowym, jak również nadmiernego zużycia panwi i czopu oraz zmiany ich struktury geometrycznej.
3. STOPY ŁOŻYSKOWE
3.1. WYMAGANIA STAWIANE STOPOM ŁOŻYSKOWYM
W skład łożyska ślizgowego wchodzi obudowa oraz wymienny wkład – panwi łożyskowych. Wkłady te mogą być nie dzielone (łożysko sworznia) lub dzielone (łożysko korbowe i główne). W zależności od stosunku grubości panwi do średnicy czopa panwie dzielimy na cienkościenne i grubościenne.
W zależności od przeznaczenia łożyska dobierana jest grubość cienkościennych panwi łożyskowych i średnicy czopa. Dla łożysk korbowych d= około 0,02 dc, a dla głównych d= około 0,03 dc. Grubość stalowej skorupy (podłoża) panwi grubościennej wynosi d= około 0,15 dc. Dokładne wymiary panwi określają normy (np. ISO3548).
Zazwyczaj panwie cienkościenne wykonane sa z taśmy stalowej, na której nałożona jest wykładzina ślizgowa złożona z jednej lub kilku warstw stopów łożyskowych. Wymagania stawiane stopom łożyskowym są następujące:
· zdolność do przenoszenia dużych nacisków,
· wytrzymałość zmęczeniowa,
· zdolność do wchłaniania twardych zanieczyszczeń zawartych w oleju, dostosowywania się do odkształceń sprężystych czopa oraz do niedokładności wykonawczych (stożkowatość, owalność, niewspółosiowość czopa i panwi).
· duża wytrzymałość mechaniczna, dostosowana do obciążenia łożyska i temperatury podczas pracy,
· odporność na zatarcie,
· dostatecznie wysoka temperatura topnienia zabezpieczająca przed uszkodzeniem powierzchni ślizgowych o podwyższonych temperaturach pracy,
· duża odporność na korozję chemiczną pod wpływem działania kwasowych produktów rozkładu smaru,
· zdolność do pochłaniania twardych zanieczyszczeń smaru i zapobieganie powstawaniu rys,
· odpowiednia podatność plastyczna i zdolność dopasowania się powierzchni ślizgowej panwi do drobnych błędów kształtu i ugięć czopa,
...
marcin0732